Uścisk dłoni wykonawcy z zleceniodawcą, zwiastujący udaną współpracę.

Analiza stężenia ditlenku węgla w pomieszczeniu biurowym.

Analiza stężenia ditlenku węgla w pomieszczeniu biurowym.

Współcześnie ludzie przebywają w zamkniętych pomieszczeniach przez wiele godzin w ciągu każdego dnia. Stwarza to problem polegający na zapewnieniu komfortu "świeżego powietrza", od którego zależy zdrowie i samopoczucie ludzi. W biurach i innych budynkach użyteczności publicznej m.in. szkoły, mieszkania, banki, głównym źródłem zanieczyszczeń gazowych są ludzie. Do tych zanieczyszczeń należy głównie ditlenek węgla, który powoduje dyskomfort, poczucie duszności i w efekcie spadek wydajności pracy. Dlatego tak ważna jest odpowiednia wymiana powietrza, aby dostarczać świeże powietrze do pomieszczeń. Najlepszym odnośnikiem do właściwej jakości powietrza w pomieszczeniu jest powietrze zewnętrzne.

author box img

Mateusz Sikora

Zaktualizowano: 1 września 2015 01.09.2015 Czas lektury: 13min

Z poradnika dowiesz się

Ponad 21549 Specjalistów od Wentylacji i Rekuperacji blisko Ciebie

1. Proces wydychania ditlenku węgla przez człowiek

Proces oddychania wiąże się z wydychaniem przez człowieka ditlenku węgla i wdychaniem tlenu i jest nazywany procesem wymiany gazowej. W czasie tego procesu dochodzi do dyfuzji gazów i ich wymiany pomiędzy organizmem, a jego otoczeniem (wymiana gazowa zewnętrzna) oraz pomiędzy płynami ustrojowymi i tkankami w organizmie (wymiana gazowa wewnętrzna) [4].W spoczynku zdrowy człowiek oddycha około 16 razy na minutę. W czasie jednego oddechu wdycha i wydycha około 500 cm powietrza. Wynika z tego, że wentylacja minutowa płuc wynosi 8 dm3/min. W związku z tym w ciągu minuty do organizmu przechodzi 250 cm³ O2, a wydalane jest 250 cm³ CO2. Powietrze, które jest wydychane przez człowieka zawiera w swoim składzie od 2 do 3% ditlenku węgla [5].

Wentylacja - komu zlecić?

Poniżej przedstawiamy ranking 21 549 Specjalistów od Wentylacji i Rekuperacji najlepszych w 2024 roku w poszczególnych miastach powiatowych:

1.1. Wpływ ditlenku węgla na człowieka

Gaz gromadzący się przy podłodze w pomieszczeniach, w których przebiegają procesy będące źródłem ditlenku węgla (np. spalanie – kuchnie z przyborami gazowymi) jest szczególnie niebezpieczny dla niemowląt poruszających się tuż przy poziomie podłogi, gdyż może doprowadzić do niewyjaśnionych zasłabnięć dziecka [6]. Stężenie O2 mniejsze od 18% jest uważane za szkodliwe dla zdrowia człowieka. Ważne jest, aby udział CO2 w pomieszczeniu, w którym przebywają ludzie nie przekraczał 0,15%, ale najlepiej gdy jego stężenie jest zbliżone do stężenia w powietrzu zewnętrznym pomiędzy 350–450 ppm. Niektóre standardy, w tym amerykańskie i unijne określają koncentrację CO2 w powietrzu wewnątrz budynku na poziomie 800–1500 ppm, co  odpowiada ilości powietrza wentylacyjnego 20-30 m³/h na osobę.

Jeżeli pomieszczenia, w których ludzie przebywają na co dzień są źle wentylowane, człowiek odczuwa zmęczenie, senność, ból głowy, złe samopoczucie oraz brak koncentracji. Spowodowane jest to zbyt wysoką koncentracją ditlenku węgla w powietrzu w zatłoczonym i słabo wentylowanym pomieszczeniu. Kiedy człowiek wydycha takie powietrze, zawarty w nim ditlenek węgla rozpuszcza się we krwi i reagując z wodą w organizmie tworzy kwas węglowy (H2CO2). Kwas ten rozkłada się na jony: wodorowy (H+) i wodorowęglanowy (HCO3-). Z kolei wzrost ilości jonów wodorowych, prowadzi do zakwaszenia się krwi i zaburzenia równowagi elektrolitów, a w rezultacie do pogorszenia samopoczucia oraz spadku wydajności intelektualnej. W związku z tym człowiek staje się zmęczony, otępiały i mniej skłonny do wysiłku intelektualnego oraz fizycznego [7].

Niewielkie stężenie dwutlenku węgla w powietrzu jest naturalne, lecz zbyt duże we wdychanym przez człowieka powietrzu może mieć negatywne skutki dla zdrowia. Może to powodować uczucie duszności, niepokój, pobudzenie ośrodka oddechowego i zwiększenie częstości oddechów. W niewietrzonych sypialniach, gdzie przebywają noworodki odnotowano przypadki tzw. zespołu nagłej śmierci. Jako powód często podawane jest zbyt duże stężenie CO2.

Problemom, które wiążą się ze zbyt małą wentylacją, mają zapobiegać normy wentylacji w budynkach. Za próg bezpieczeństwa, podczas 8 godzin w pracy w ciągu dnia przyjmuje się stężenie CO2 równe 5000 ppm (cząsteczek CO2 na milion cząsteczek powietrza, 5000 ppm=0,5%). Jest to jednak próg bezpieczeństwa, a nie komfortu i wpływu na zdrowie człowieka. Narzekanie na jakość powietrza, pojawia się w sytuacji, w której stężenie CO2 przekracza 600-800 ppm, a nasilają powyżej 1000 ppm. Według różnych standardów międzynarodowych zalecane stężenie CO2 dla bardzo dobrej jakości powietrza to poniżej 600 ppm, dla dobrej jakości powietrza jest rzędu 600-1000 ppm, a akceptowalne 1000-1400 ppm, przy czym stężenie CO2 przekraczające 1000 ppm często interpretuje się, jako powód konieczności poprawy wentylacji w budynku [7]. Tabela 1 przedstawia wpływ stężenia objętościowego ditlenku węgla w powietrzu na organizm człowieka.

Tabela 1. Wpływ stężenia CO2 w powietrzu na organizm człowieka

Stężenie (objętościowo)
Wpływ CO2 na organizm człowieka
350 – 450 ppm
Świeże powietrze atmosferyczne
poniżej 600 ppm
Akceptowalne warunki świeżości powietrza w pomieszczeniach mieszkalno-biurowych
1000 ppm = 0,1%
Górna granica świeżości powietrza wg norm WHO (World Health Organisation) oraz ASHRAE (Americian Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers)
5000 ppm = 0,5%
Najwyższe Dopuszczalne Stężenie (średnie ważone 8-godz.) w środowisku pracy Polska – NDS*); USA – TWA
10 000 ppm = 1%
Lekki wzrost częstości oddychania; najwyższe stężenie chwilowe (średnie ważone w czasie 10 min); USA – STEL
15 000 ppm = 1,5%
Najwyższe Dopuszczalne Stężenie Chwilowe (średnie ważone w czasie 30 min) Polska – NDSCh.*); maksymalna tolerowana dawka dla pracowników w specyficznych warunkach, pod kontrolą medyczną np. browary, łodzie podwodne, statki kosmiczne itp.
2%
Pogłębiony oddech i wzrost częstości oddychania o ok. 50%. Ekspozycja przez kilka godzin powoduje ból głowy i uczucie zatrucia.
3%
Około dwukrotny wzrost częstości oddychania. Efekty podobne do działania słabego narkotyku tj. osłabienie słuchu połączone z bólem głowy, wzrost ciśnienia krwi i częstotliwości pulsu.
4 – 5%
Wyraźnie pogłębiony oddech, czterokrotny wzrost częstości oddychania. Po ok. 30 minutach ekspozycji może pojawić się wyraźne odczucie braku swobody oddychania.
5 – 10%
Dwutlenek węgla przybiera charakterystyczny ostry zapach (podobny do "zapachu" świeżo otwieranej wody sodowej). Oddychanie wymaga zwiększonego wysiłku, ból głowy, zaburzenia widzenia, dzwonienie w uszach. Krańcowym efektem może być utrata przytomności po kilku minutach ekspozycji.
powyżej 10%
Utrata przytomności może nastąpić znacznie szybciej i gwałtowniej. Przedłużająca się ekspozycja prowadzi do śmierci przez uduszenie.

* – zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Pracy i Polityki Społecznej z 29.11.2002r. (Dz.U. nr 217 poz. 1833) NDS = 9000 mg/m3 (ok. 0,5% obj.) i NDSCh = 27000 mg/m³ (ok. 1,5% obj.). Źródło: Opracowanie własne na podstawie http://www.gazex.com.pl/pdf/AirTECH_mini.pdf

2. Ditlenek węgla jako wskaźnik jakości powietrza

Spośród różnych wskaźników, które określają zapotrzebowanie na świeże powietrze (wskaźnik obecności ludzi) w pomieszczeniach, najlepszym okazał się poziom stężenia ditlenku węgla. Opisane wcześniej poczucie "nieświeżości powietrza", które jest niezdrowe dla człowieka i związany z tym dyskomfort, przygnębienie i spadek wydajności pojawia się wraz ze wzrostem stężenia CO2 powyżej 1000 ppm. Koncentracja CO2 w powietrzu wewnątrz budynku wynosząca 800–1500 ppm odpowiada ilości powietrza wentylacyjnego w ilości 20–30 m³/h na osobę, a więc już wcześniej wspominanym normom określonym przez niektóre standardy (w tym amerykańskie, skandynawskie, czy niektórych krajów Unii Europejskiej).

W celu zapewnienia odpowiedniej jakości powietrza w budynkach przeznaczonych do przebywania ludzi stosowana jest wentylacja pomieszczeń. Z drugiej strony ważne jest również oszczędzanie energii i staje się to obecnie priorytetem w czasie budowy i eksploatacji obiektów. Niestety świadomość ludzi na temat znaczenia jakości powietrza i jego wpływu na zdrowie oraz samopoczucie jest niska. Skutkiem takiego podejścia jest brak wentylacji pomieszczeń lub zbyt mała wymiana powietrza. Jest to szczególnie istotne w budynkach pasywnych, gdzie izolacyjność i szczelność stanowią priorytet. Warunek szczelności powoduje konieczność instalowania systemu wentylacji mechanicznej, co w odczuciu wielu użytkowników generuje problemy związane z inwestycyjnymi kosztami eksploatacyjnymi. Inwestorzy i użytkownicy napotykają na wiele utrudnień, które w praktyce prowadzą do braku lub "szczątkowej" instalacji wentylacji, co prowadzi do znacznego pogorszenia jakości powietrza.

Uzasadnienie decyzji, które rozwiązanie będzie najbardziej odpowiedni, nie jest łatwe. Zdecydowanie się bowiem na wentylację mechaniczną zamiast naturalnej, a tym bardziej zastosowanie instalacji klimatyzacyjnej, powoduje istotne zwiększenie kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych budynku. Pomimo znacznej różnicy w kosztach, w różnych systemach wentylacyjnych, coraz częściej w nowoczesnych budynkach stosuje się wentylację mechaniczną, a nawet klimatyzację, np. w klimacie cieplejszym (Płd. Europa). Również w przypadku naszego klimatu, gdzie wentylacja naturalna była wystarczająca w tzw. starym budownictwie, to w nowoczesnych obiektach jest już niewystarczająca [12]. Sterowanie wydajnością systemu wentylacyjnego, które jest realizowane o pomiar poziomu stężenia CO2, gwarantuje stałe pokrycie aktualnego zapotrzebowania na świeże powietrze, przy minimalnym zużyciu energii zużywanej przez system wentylacyjny. W pomieszczeniach, w których występuje duże zróżnicowanie pod względem liczby osób przebywających w nich w ciągu dnia (kina, teatry, pomieszczenia biurowe, hale sportowe, szkoły) uzyskiwane oszczędności wynoszą od 8 do 50%. Systemy kontroli, które odnoszą się do pomiaru stężenia ditlenku węgla, dają właścicielom i administratorom budynków możliwość zoptymalizowania intensywności wentylacji w zależności od stopnia wykorzystania pomieszczeń oraz zmniejszenia kosztów, podczas gdy w budynku przebywa mało osób.

Porównajmy pracę dwóch systemów: klasycznego, którego wydajność opiera się na złożonej z góry liczbie użytkowników i sterowanego wyłącznikiem czasowym oraz inteligentnego, który zapewnia dopływ świeżego powietrza w zależności od potrzeb określonych przez poziom CO2. Kontrola stężenia ditlenku węgla w przypadku systemu inteligentnego daje pewność, że ilość dostarczanego z zewnątrz powietrza jest przez cały czas dostosowana do liczby osób, które przebywają w danym pomieszczeniu. Oszczędności energii uzyskiwane w ten sposób to różnica sterowania włącznikiem czasowym i sterowania zgodnego z zapotrzebowaniem, które nie jest stałe jak w przypadku sterowanie włącznikiem czasowym [13].

3. Część pomiarowa

Charakterystyka pomieszczenia

Pomieszczenie wybrane do pomiaru stężeń ditlenku węgla zajmuję powierzchnię ok. 17,15m². Wymiary pomieszczenia to 350x490x340 cm. Wysokość pomieszczenia to około 260 cm, a jego kubatura to 42 m³. Wymiana powietrza w pomieszczeniu następuje za pomocą wentylacji grawitacyjnej i nawietrzaków okiennych. Ściana kolankowa i połać dachowa są od strony północnej. Pozostałe ściany są ścianami wewnętrznymi i graniczą z pozostałymi pomieszczeniami biura.

Urządzenia mające wpływ na zmianę parametrów powietrza w pomieszczeniu

1. Klimatyzator LG D09CM DELUXE SIRIUS

  • Moc chłodzenia: 0,9/2,5/3,7 kW
  • Moc grzania: 0,9/3,2/5,0 kW

2. Grzejnik stalowy Compact C22 1689W 1000x600

Stolarka okienna

  • Dwa okna dachowe uchylne zlokalizowane na skośnej ścianie w połaci dachowej
  • Okno dachowe GZL 1050 MK04 VELUX
  • Wymiary: wys. 98 x szer. 78 x gł. 13 cm
  • Przenikalność ciepła okna Uw=1,4 W/m²
  • Przenikalność cieplna szyby Ug=1,1 W/m²

W pomieszczeniu znajdują się trzy stanowiska pracy. Tryb pracy siedzący (praca biurowa).

3.1. Aparatura pomiarowa

Pomiarów ditlenku węgla dokonano za pomocą urządzenia pomiarowego Delta Ohm hd37b17d.

Wartości mierzone przez urządzenie:

  • wilgotność,
  • temperatura,
  • stężenie ditlenku węgla.

Zawartość wilgoci w powietrzu jest podawana jako jej procentowa zawartość. Zakres od 5 do 100% RH.

Temperatura podawana jest w °C. Zakres badanych temperatur od -20°C do +60°C. Ilość ditlenku węgla mierzona jest w ppm (0-5000).

3.2. Charakterystyka warunków pomiarowych powietrza wewnętrznego.

Pomiary stężenia wykonano podczas codziennej pracy w biurze. Ponieważ intensywność użytkowania pomieszczenia jest wysoka, urządzenie wykonywało pomiar stężenia co 30 sekund. Umożliwia to zarejestrowanie najmniejszej zmiany w krótkim czasie. Miesiąc, w którym wykonywano pomiary to kwiecień.

Na podstawie danych pobranych z urządzenia pomiarowego sporządzono analizy zmiany wartości stężenia CO2, temperatury i wilgotności.

4. Analiza wyników pomiarów

4.1 Stężenie ditlenku węgla jako wskaźnik szczelności obiektu

Na podstawie analizy pomiarów zawartości ditlenku węgla można odnotować nagłe zmiany stężenia w pomieszczeniu. Może to świadczyć o szczelności pomieszczenia i braku infiltracji powietrza zewnętrznego, które w sposób znaczny wpływałoby na wzrost stężenia CO2. Wentylacja grawitacyjna, która powinna zapewnić wymianę powietrza w pomieszczeniu nie spełnia swojej funkcji ponieważ brak jest powietrza napływającego do pomieszczenia. Nieznany jest też stan techniczny wentylacji grawitacyjnej.

4.2 Analiza zależności zawartości CO2 od pozostałych mierzonych wartości

Temperatura, wilgotność i stężenie ditlenku węgla zmienia się w czasie. Obserwacja tych trzech wskaźników pozwala stwierdzić, że temperatura i wilgotność utrzymują się, nie licząc niewielkich wahań, na stałym poziomie. Natomiast stężenie ditlenku węgla rośnie i maleje niezależnie od pozostałych wskaźników. Takie zmiany stężenia ditlenku pokazują jakim jest ważnym wskaźnikiem jakości powietrza.

W przypadku wentylacji mechanicznej sterowanej za pomocą regulacji temperaturowej lub wilgotnościowej, która byłaby uruchamiana po przekroczeniu zadanych wartości temperatury lub wilgotności zanieczyszczenia, takie jak ditlenek nie zostałyby usunięty z pomieszczenia. W pomieszczeniach jak to, które było obiektem badań nastąpiłoby spadek sprawności umysłowej i znacznie pogorszyłoby się samopoczucie ludzi, którzy przebywają w biurze.

5. Podsumowanie przeprowadzonej analizy

Jakość powietrza w pomieszczeniach, w których spędzamy większość czasu np. miejsce pracy jest bardzo istotna z punktu widzenia zdrowotnego jak i ekonomicznego. Niestety wymagania nowo powstających budynków nakazują zapewnienie jak najlepszej szczelności obiektów w celu oszczędzenia energii zużywanej na ogrzewanie pomieszczeń. W takim przypadku wymagane jest zaprojektowanie odpowiedniej organizacji wymiany powietrza.

Wentylacja mechaniczna zaprojektowana na podstawie obliczenia niezbędnego strumienia wentylującego zapewni niezbędną wymianę powietrza i usunięcie zanieczyszczeń z powietrza wewnętrznego. Wentylacja mechaniczna bez regulacji strumienia powietrza generuje dodatkowe koszty energii zużytej na wentylacje pomieszczeń w których albo nie znajduje się żadna osoba albo ilość osób znajdujących się w pomieszczeniu nie generuje takiej ilości zanieczyszczeń, aby należało je usunąć.

Wyniki przeprowadzonej analizy stężenia ditlenku węgla w pomieszczeniu a także porównanie do pozostałych wskaźników jakości powietrza mierzonych przez urządzenie pomiarowe, czyli temperatury pomieszczenia i wilgotności, przedstawiają CO2 jako parametr, który najlepiej obrazuje zmiany jakości powietrza w pomieszczeniu. Wilgotność i temperatura pomieszczenia pozostawały na niezmiennym poziomie nie licząc niewielkich odchyleń, w przeciwieństwie do ditlenku węgla, którego stężenie wielokrotnie przekraczało 1200 ppm. Takie stężenie CO2 powoduje u człowieka zmęczenie, senność i obniżenie sprawności umysłowej. Strumień wentylacyjny regulowany za pomocą czujnika temperatury lub czujnika wilgoci nie zagwarantowałby odpowiedniej wymiany powietrza zapewniającej ludziom przebywającym w pomieszczeniu komfortu i dobrego samopoczucia. Czujnik ditlenku węgla zainstalowany wewnątrz pomieszczenia poniżej wysokości strefy w której oddychają ludzie(zależnie od pozycji siedzącej lub stojącej) utrzymywałby stężenie CO2 na stałym zadanym poziomie.

W Polsce powszechnie stosowaną metodą wymiany powietrza jest wentylacja grawitacyjna działa na zasadzie różnicy ciśnień. Do prawidłowego funkcjonowania takiej wentylacji niezbędne jest powietrze zewnętrze dostające się do pomieszczenia. W czasie tzw. starego budownictwa powietrze dostawało się przez szczeliny w oknach, drzwiach a także poprzez infiltracje obiektu. Budynki, które przeszły termomodernizacje wraz z wymianą stolarki okiennej, stały się szczelne powodując brak napływu powietrza zewnętrznego, co spowodowało obniżenie sprawności wentylacji grawitacyjnej. Analiza stężenia CO2 wykonywana w ramach niniejszej pracy miała miejsce w pomieszczeniu znajdującym się w budynku który przeszedł termomodernizacje w 2005 roku. Na podstawie wyników pomiarów można wywnioskować brak powietrza infiltrującego pomieszczenie, co skutkuje brakiem skuteczności działania wentylacji grawitacyjnej. Wykonanie systemu wentylacji mechanicznej i rozprowadzenie przewodów wentylacyjnych do pomieszczeń jest trudniejsze w realizacji niż w nowopowstających budynkach, przez co jest bardziej kosztowne. Inwestorzy zazwyczaj podczas analizy dodatkowych kosztów pozostawiają system wentylacyjny, który do tej pory funkcjonował w budynku . Powietrze w którym wykonywano pomiary praktycznie każdego dnia zawierało ponad 1000 ppm ,maksymalne stężenie wyniosło 1613 ppm. Niestety w sytuacji, w której nie ma możliwości zapewnienia wymiany powietrza poprzez zastosowanie wentylacji mechanicznej, należy stosować nawietrzaki okienne a także często wietrzyć pomieszczenie.

Podsumowując, ditlenek węgla jest bardzo dobrym wskaźnikiem informującym nas o jakości powietrza wewnętrznego, a także stale monitorowana jego zawartość w powietrzu może posłużyć jako regulacja strumienia wentylującego. Ditlenek węgla jest minimalnie cięższy od powietrza co należy uwzględnić przy montażu czujników, które muszą być zamontowane poniżej wysokości strefy, w której oddychają ludzie. W przypadku braku wentylacji mechanicznej czujnik stężenia ditlenku węgla informuje o wysokości stężenia i niezbędnym przewietrzeniu. Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt że stężenie CO2 nie zależy tylko i wyłącznie od ilości osób w pomieszczeniu ale także od czynności wykonywanych przez ludzi tj. otwieranie lub uchylanie okna lub drzwi. Za drzwiami lub oknem stężenie analizowanego gazu może być mniejsze niż w pomieszczeniu spowoduje obniżenie zawartości ditlenku, jednak w sytuacji gdy w powietrzu zewnętrznym jest stężenie wyższe niż wewnątrz dojdzie do zwiększenia ilości CO2 w rozpatrywanym pomieszczeniu.

Bibliografia

  1. CRC Handbook of Chemistry and Physics
  2. CRC Handbook of Chemistry and Physics
  3. CRC Handbook of Chemistry and Physics
  4. Włodzimierz Załachowski: Ryby. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997. ISBN 83-01-12286-2
  5. Grobel D., Łobzowski A., W. Szkolnikowski LAB-EL Elektronika Laboratoryjna S.J. - artykuł publikowany w piśmie POMIAR nr 3/2006
  6. Gładyszewska-Fiedoruk K., Stężenie dwutlenku węgla jako główny parametr jakości powietrza wewnętrznego. Autoreferat
  7. Pastuszka J.S., Zanieczyszczenie powietrza pomieszczeń, Śląska Akademia Medyczna, Wydział Zdrowia Publicznego, Zakład Zdrowia Środowiskowego
  8. Pełech A., Wentylacja i Klimatyzacja - podstawy
  9. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie badań i pomiarów czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz. U. nr 79/1998)

Źródła internetowe:

  • www.ziemianarozdrozu.pl [7]
  • www.ehp.niehs.nih.gov [8]
  • www.gazex.com.pl [9]
  • www.elektronikab2b.pl/technika/5812-metody-pomiaru-wilgotnosci [11]
Dodano: 4 września 2015 Zaktualizowano: 1 września 2015

Jak oceniasz ten poradnik?

Dziękujemy za Twoją opinię!

Twoja opinia pozwala nam tworzyć lepsze treści

Co moglibyśmy poprawić lub dodać?
Jak działa Oferteo?
Odpowiedz na kilka pytań

Powiedz nam czego potrzebujesz, abyśmy dostarczyli Ci właściwe oferty

Otrzymaj oferty

Poznaj dopasowane oferty specjalistów z Twojej okolicy

Wybierz najlepszą

Porównaj oferty i zadawaj pytania, bezpłatnie i niezobowiązująco